微生物是發(fā)酵工業(yè)的靈魂，對微生物控制的發(fā)酵過程進行優(yōu)化，我們要了解發(fā)酵罐中微生物的生長反應(yīng)特性。微生物細胞生長是細胞個體內(nèi)許多化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果。這些反應(yīng)包括合成提供其它反應(yīng)需要的吉布斯自由能；利用底物合成結(jié)構(gòu)單元，再聚合成大分子物質(zhì)，供合成細胞所需等。正常情況下，微生物細胞為了確保有序和高效生長，必須將這些反應(yīng)有機地結(jié)合在一起，經(jīng)濟地分配胞內(nèi)各代謝途徑的通量。
大腸桿菌是發(fā)酵研究中用得最多的微生物。在大腸桿菌生長過程中前人已觀察到下列現(xiàn)象∶
(1)在大腸桿菌快速生長期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結(jié)構(gòu)單元(氨基酸、核酸等 )的合成速率和聚合形成大分子的速率一致；
(2)大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長速率而變化。細胞以高比生長速率生長時對蛋白質(zhì)的需求很高，因此相對于低的比生長速率來說，蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(PSS) 在細胞中占有很大比例。在低比生長速率下， PSS的利用率很低，其合成和維護對微生物來說是無用的代謝負擔(dān)；
(3)一旦生長培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠，細胞就不再合成這些物質(zhì)；
(4)特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時，細胞才合成相應(yīng)的酶。例如，只有當乳糖存在時，大腸桿菌才合成b- 半乳糖苷酶將乳糖降解成半乳糖和葡萄糖；
(5)若兩個不同的底物同時存在于培養(yǎng)基中，細胞先合成能在一種底物上以較高比生長速率生長的酶系，當這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶。如大腸桿菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長，首先代謝葡萄糖，此生長階段不產(chǎn)生 b -半乳糖苷酶，不能代謝乳糖。當葡萄糖濃度變得很低時，系統(tǒng)合成b-半乳糖苷酶并利用乳糖繼續(xù)生長。
以上觀測結(jié)果對其它微生物也具有一定的適用性。由于發(fā)酵罐中微生物胞內(nèi)代謝途徑緊密結(jié)合，因此，對全部過程進行建模( 如對特定微生物的生長和產(chǎn)物形成) ，并不需要描述所有獨立的反應(yīng)。如對微生物生長建模時，可以將所有的代謝途徑混合起來用幾個單一反應(yīng)來表示，有時甚至用一個反應(yīng)式就可描述全部的生長過程。
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